基于虛擬儀器的真空度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

　　真空度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量范圍為( 1 × 10⁵ ～ 2 × 10^-9 ) Pa。文章介紹了該系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和工作原理。該系統(tǒng)硬件部分主要包括電容薄膜真空計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)電離真空計(jì)、分離規(guī)和法蘭轉(zhuǎn)換套件�；�于美國(guó)NI 公司的Labview軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合日常型號(hào)服務(wù)的熱真空試驗(yàn)設(shè)備和其它真空設(shè)備的測(cè)試需求，開(kāi)發(fā)了真空度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試軟件。軟件以模塊化思想為基礎(chǔ)，可根據(jù)不同的測(cè)試要求選擇相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理，報(bào)告自動(dòng)生成。

1、引言

　　真空技術(shù)是20 世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新的技術(shù)學(xué)科，隨著科技的進(jìn)步，真空技術(shù)作為一門(mén)實(shí)用的基礎(chǔ)科技應(yīng)用范圍日益廣泛。目前，真空技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航天、航空、高能物理、可控?zé)岷司圩儭⒈砻嫖锢�、半�?dǎo)體與微電子等尖端科學(xué)研究領(lǐng)域，此外還廣泛應(yīng)用于工業(yè)和服務(wù)業(yè)。從日常生活用的燈泡的制造，到空間環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，所有真空工程中的應(yīng)用設(shè)備，都是通過(guò)真空系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。

　　不同的真空應(yīng)用設(shè)備，所用的真空系統(tǒng)是不一樣的，但其基本組成是類似的。一套真空系統(tǒng)主要由真空室、真空獲得設(shè)備、真空測(cè)量設(shè)備和其它元件構(gòu)成。真空度是真空系統(tǒng)最重要的物理參數(shù)之一，也是衡量真空系統(tǒng)性能的重要物理參數(shù)，同時(shí)真空度的準(zhǔn)確測(cè)量是影響工藝和真空實(shí)驗(yàn)的重要參數(shù)。

　　對(duì)于新研制的真空設(shè)備為了了解其真空特性是否滿足使用要求，通常要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)收以確保設(shè)備的性能指標(biāo)。對(duì)于使用中的真空設(shè)備，為了檢驗(yàn)其特性，需要對(duì)其進(jìn)行周期測(cè)試。由于真空設(shè)備體積龐大，搬到計(jì)量室進(jìn)行特性測(cè)試顯然很不現(xiàn)實(shí)，因此需要對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。由于真空系統(tǒng)的復(fù)雜多樣性，真空度準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)工藝和試驗(yàn)的重要影響，要求真空度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)必須精度高，覆蓋的量程寬。

　　結(jié)合日常型號(hào)服務(wù)工作，尤其是空間熱真空環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)的真空度測(cè)試需求，我們構(gòu)建了真空度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，并基于美國(guó)NI 公司的Labview 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了真空度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試軟件�？筛鶕�(jù)不同的測(cè)試要求選擇相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理，報(bào)告自動(dòng)生成，大大提高工作效率。

2、硬件部分及工作原理

　　真空度測(cè)量中，除極少數(shù)直接測(cè)量外，絕大多數(shù)是間接測(cè)量。就是先在被測(cè)氣體中引起一定的物理現(xiàn)象，然后再測(cè)量這一過(guò)程中與壓力有關(guān)的物理量，進(jìn)而設(shè)法確定壓力值。物理量與壓力的關(guān)系，都是在某一壓力范圍內(nèi)才最顯著，超出這個(gè)范圍，關(guān)系變得弱了。因此，任何方法都有其一定的測(cè)量范圍，這個(gè)范圍就是真空計(jì)的“量程”。所以針對(duì)不同的測(cè)量范圍必須選擇不同的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，才能保證整個(gè)測(cè)量過(guò)程的準(zhǔn)確性，這是真空測(cè)量的特點(diǎn)，綜合考慮精度、穩(wěn)定性、復(fù)現(xiàn)性、可靠性和壽命等因素。我們確定了不同真空度段的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，具體見(jiàn)表1。由于真空規(guī)和真空設(shè)備接口法蘭的多樣性，為了方便連接設(shè)計(jì)了各種法蘭轉(zhuǎn)接口。

表1 現(xiàn)場(chǎng)真空度測(cè)試系統(tǒng)不同真空段的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

　　2. 1、電容薄膜真空計(jì)

　　在粗真空、低真空測(cè)量中，薄膜規(guī)的精度和穩(wěn)定性最好。美國(guó)MKS 生產(chǎn)的690A 系列電容薄膜規(guī)為美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)，也是國(guó)內(nèi)真空計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，真空度的測(cè)量可達(dá)到讀數(shù)精度的0. 05%，是目前準(zhǔn)確度等級(jí)最高的真空度測(cè)量?jī)x器。由于不同型號(hào)的薄膜規(guī)器測(cè)量范圍也不一樣，為了擴(kuò)展量程，需要組合使用，其測(cè)量范圍為( 10⁵ ～ 10^-2 ) Pa。

　　根據(jù)彈性薄膜在壓差作用下產(chǎn)生應(yīng)變而引起電容變化的原理制成的真空計(jì)稱為電容式薄膜真空計(jì)，它由電容式薄膜規(guī)管( 又稱為電容式壓力傳感器) 和測(cè)量?jī)x器兩部分組成。金屬?gòu)椥阅て瑢⒈∧ふ婵找?guī)管隔離成兩個(gè)室，分別為接被測(cè)真空系統(tǒng)的測(cè)量室和接高真空系統(tǒng)( 真空度< 10 - 3 Pa) 的參考?jí)毫κ�。在這兩個(gè)室的連通管道上設(shè)置一個(gè)高真空閥門(mén)。測(cè)量時(shí)，先將閥門(mén)打開(kāi)，用高真空抽氣系統(tǒng)將規(guī)管內(nèi)膜片兩側(cè)的空間抽至參考?jí)毫ΑＭ瑫r(shí)調(diào)節(jié)測(cè)量電橋電路，使之平衡，即指示儀表指零。然后，關(guān)閉閥門(mén)，測(cè)量室接通被測(cè)真空系統(tǒng)。當(dāng)被測(cè)壓力大于參考?jí)毫�時(shí)，由于規(guī)管中的壓力差，膜片發(fā)生應(yīng)變引起電容改變，破壞了測(cè)量電橋電路的平衡，指示儀表上亦有相應(yīng)的指示。調(diào)節(jié)直流補(bǔ)償電源電壓對(duì)電容充電，使其靜電力與壓差相等，此時(shí)，電橋電路重新達(dá)到平衡，指示儀表又重新指零。根據(jù)補(bǔ)償電壓的大小，就能得出被測(cè)壓力。

　　2. 2、電離真空計(jì)

　　標(biāo)準(zhǔn)電離真空計(jì)和分離規(guī)均為電離真空計(jì)，由燈絲加熱提供電子源。電力真空計(jì)其型式繁多，各具不同特點(diǎn)和適用不同的壓力測(cè)量范圍。普通電離真空計(jì)的允許誤差為50%，標(biāo)準(zhǔn)電離真空計(jì)精度為5%，測(cè)量范圍( 10^-1 ～10^-5 ) Pa，在真空計(jì)量中用作二等標(biāo)準(zhǔn)。分離規(guī)精度為15%，測(cè)量范圍( 10^-2 ～ 10^-9) Pa，作為超高真空測(cè)量具有較好的精度和穩(wěn)定性。電子在電場(chǎng)中飛行時(shí)從電場(chǎng)獲得能量，若與氣體分子碰撞，將使氣體分子以一定幾率發(fā)生電離，產(chǎn)生正離子和次級(jí)電子。其電離幾率與電子能量有關(guān)。電子在飛行路途中產(chǎn)生的正離子數(shù)，正比于氣體密度n，在一定溫度下正比于氣體的壓力P。因此，可根據(jù)離子電流的大小指示真空度。通過(guò)公式( 1) 可以得到真空度示值。

I + = K·P·Ie (1)

　　式中: I +———真空計(jì)離子流示值; K———真空規(guī)管的靈敏度系數(shù); P———真空規(guī)管所處的壓力值; Ie———真空計(jì)的發(fā)射電流。

　　2. 3、法蘭轉(zhuǎn)換套件

　　法蘭轉(zhuǎn)換件主要包括CF35 轉(zhuǎn)KF16，CF35 轉(zhuǎn)KF25，CF35 轉(zhuǎn)KF40，CF35 轉(zhuǎn)CF，CF35 轉(zhuǎn)螺口標(biāo)準(zhǔn)玻璃規(guī)管法蘭，KF40 轉(zhuǎn)KF25，KF40 轉(zhuǎn)KF16，KF25轉(zhuǎn)KF16 及各種常用的非標(biāo)轉(zhuǎn)接件。

3、檢定程序

　　Labview 是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器( NI) 公司研制開(kāi)發(fā)的，類似于C 和BASIC 開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是Labview 與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是:其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而Labview 使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G 編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。如圖1 所示為基于Labview 軟件一個(gè)簡(jiǎn)單報(bào)表生成程序框圖。

圖1 報(bào)表生成程序框圖

　　NI 公司為用戶提供了基于Labview 的各類儀器驅(qū)動(dòng)程序，如2000 等都有相應(yīng)的基于Labview 的驅(qū)動(dòng)程序。應(yīng)用這些驅(qū)動(dòng)程序大大提高了程序編制的速度和效率。但需要注意的是有些驅(qū)動(dòng)程序模塊與實(shí)際應(yīng)用有一定差距，需要使用者對(duì)其修改或者利用VISA 自行編制。本文以Labview8. 2 作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用VISA 自行編制儀器驅(qū)動(dòng)，開(kāi)發(fā)了真空度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試軟件。

　　3. 1、程序設(shè)計(jì)

　　程序主要由被檢儀表信息輸入模塊、測(cè)量模式選擇模塊、圖表實(shí)時(shí)顯示模塊和報(bào)告生成模塊四大部分構(gòu)成。結(jié)合“LabVIEW Report Generation Toolkit for Microsoft Office”及word 中書(shū)簽和域的使用，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理、原始記錄和證書(shū)的自動(dòng)生成。其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2 所示。

圖2 真空計(jì)電參數(shù)檢定程序流程圖

　　如圖3 為標(biāo)準(zhǔn)電離計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊程序，首先通過(guò)“VISA 串口配置”模塊配置儀器的串口信息，包括波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等，然后通過(guò)“VISA 寫(xiě)入”模塊給儀器發(fā)送命令，通過(guò)“VISA 設(shè)置I /O 緩沖區(qū)大小”模塊進(jìn)行緩沖區(qū)大小設(shè)置，延時(shí)模塊延

　　時(shí)后，通過(guò)“VISA 讀取”模塊讀取儀器返回的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，最后通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換最終轉(zhuǎn)換成通用的“I32”數(shù)據(jù)形式，進(jìn)而通過(guò)數(shù)學(xué)函數(shù)計(jì)算可求的真空度數(shù)值。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)電離計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊程序圖

　　如圖4 為主程序前面板，在主程序前面板可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)器基本信息的輸入，被測(cè)量設(shè)備基本信息的輸入，采數(shù)間隔時(shí)間的設(shè)置。設(shè)置完畢運(yùn)行程序時(shí)，可以通過(guò)表格和曲線圖同時(shí)實(shí)時(shí)顯示真空度隨時(shí)間的變化。測(cè)試完畢后，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成原始記錄和證書(shū)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)出結(jié)果。最后可以直接將證書(shū)上傳至計(jì)量系統(tǒng)，進(jìn)行統(tǒng)一管理。

圖4 真空度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)程序前面板圖

　　3. 2、程序效果分析

　　實(shí)際工作中通常測(cè)試時(shí)間要持續(xù)數(shù)小時(shí)，人工測(cè)試耗時(shí)又無(wú)趣。通過(guò)應(yīng)用程序進(jìn)行測(cè)試，設(shè)定好采數(shù)間隔時(shí)間，便可按時(shí)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，采用自動(dòng)檢定系統(tǒng)無(wú)疑會(huì)大大降低計(jì)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約時(shí)間，提高效率。程序自動(dòng)生成的證書(shū)數(shù)據(jù)實(shí)例如圖5 所示。

圖5 真空度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

4、結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)合理配置調(diào)試，真空度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)其測(cè)量范圍為( 1 × 10⁵ Pa ～ 2 × 10^-9 ) Pa，連接方式多樣，幾乎可以日常工作中的真空設(shè)備測(cè)試需求。自動(dòng)化程序可以按時(shí)采集數(shù)據(jù)，自動(dòng)處理，生產(chǎn)報(bào)告和原始記錄，提高勞動(dòng)效率。自動(dòng)化程序應(yīng)用前景十分廣闊，目前我們還有很多工作有待開(kāi)展、完善，充分利用已有的信息和資源為我們所用，以提高準(zhǔn)確性和效率。有理由相信，自動(dòng)化技術(shù)在未來(lái)計(jì)量工作中將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。